{"id":8047,"date":"2013-06-22T00:01:41","date_gmt":"2013-06-21T22:01:41","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=8047"},"modified":"2013-11-01T23:19:49","modified_gmt":"2013-11-01T22:19:49","slug":"acetam-und-andere-neue-treibstoffe","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2013\/06\/22\/acetam-und-andere-neue-treibstoffe\/","title":{"rendered":"Acetam und andere neue Treibstoffe"},"content":{"rendered":"<style type=\"text\/css\"><!--\n<span data-mce-type=\"bookmark\" id=\"mce_0_start\" data-mce-style=\"overflow:hidden;line-height:0px\" style=\"overflow:hidden;line-height:0px\"><!--\n<span data-mce-type=\"bookmark\" id=\"mce_0_start\" data-mce-style=\"overflow:hidden;line-height:0px\" style=\"overflow:hidden;line-height:0px\"><!--\nbody { color: #000000; background-color: #FFFFFF; } .highlighterfromfile1-comment { color: #008000; } .highlighterfromfile1-identifier { color: #000000; } .highlighterfromfile1-miscellaneous { color: #FF00FF; } .highlighterfromfile1-number { color: #0000FF; } .highlighterfromfile1-operator { color: #808080; } .highlighterfromfile1-reservedword { color: #000080; font-weight: bold; } .highlighterfromfile1-secondreservedword { color: #800000; } .highlighterfromfile1-space { color: #000000; } .highlighterfromfile1-string { color: #800080; } .highlighterfromfile1-symbol { color: #000000; } .auto-style1 { \tfont-family: Arial; \tfont-size: medium; } -->\n--><\/style>\n<p>Es ist schon erstaunlich. Obwohl die <a href=\"\/raktreib1.shtml\">Chemie der Treibstoffe<\/a> bekannt ist, alle guten Kombinationen l&auml;ngt identifiziert wurden, tauchen doch regelm&auml;&szlig;ig neue Kombinationen auf die viel mehr Nutzlast versprechen. Ich bin schon mal auf Methan\/LOX eingegangen, nun wird gerade die Acetam Kuh durchs Raketenst&auml;dtchen getrieben.<\/p>\n<p>Auch ohne das man es genauer durchrechnet kann man eine Einstufung von Acetam, das eine nicht genauer spezifizierte Mischung von Ammoniak mit Ethin (den meisten Nichtchemikern als Acetylen bekannt) machen.<!--more--><\/p>\n<p>Wir haben bei Acetam die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit einem Stickstoffwasserstoff. So etwas gab es schon mal als Kombination<a href=\"\/raktreib2.shtml\"> LOX\/UDMH<\/a>. Der einzige Unterschied ist, das UDMH Kohlenwasserstoff und Stickstoffwasserstoff in einem Molek&uuml;l ist. Er entspricht einer Mischung von 50 Ethin und 50% Ammoniak. Ohne die Kondensation hat der Ammoniak noch ein Wasserstoffatom mehr, doch ist das entscheidend? Der Wert von UDMH\/LOX ist bekannt unter Normalbedingungen bei denen diese angegeben werden (Brennkammerdruck 7000 kpa, Au&szlig;endruck 100 kpa) liegt er bei 3010 m\/s. Die erste Version der <a href=\"\/kosmos.shtml\">Kosmos (11K63)<\/a> nutzte diese Kombination in der Oberstufe, die im Vakuum mit einer sehr gro&szlig;en Entspannungsd&uuml;se einen spezifischen Impuls von 3450 m\/s. erreichte. Das ist hoch, doch erreicht ein LOX\/RP-1 Triebwerk wie das RD-0124 auch eine Ausstr&ouml;mungsgeschwindigkeit von 3531 m\/s.<\/p>\n<p>Das tolle heute ist, ist das man das nicht mehr ungesehen glauben muss. Man kann nachrechnen. Ich habe mit <a href=\"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2011\/08\/10\/5216\/\">FCEA2<\/a>, das sich jeder von der NASA <a href=\"http:\/\/www.grc.nasa.gov\/WWW\/CEAWeb\/ceaguiDownload-win.htm\">runterladen<\/a> kann. Die wesentlichen Daten f&uuml;r die Simulation sind als FCEA File diese:<\/p>\n<pre><code><span class=\"highlighterfromfile1-reservedword\">problem\r\n<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">phi<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">,<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">eq<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">.ratio=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">1.3 <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">rocket\r\n<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">equilibrium\r\n<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">frozen\r\n<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">nfz<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">1<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-space\"> p,<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-operator\">bar<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">80<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">, <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-operator\">sup<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">,<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">ae<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">\/at=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">25<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">, \r\n<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-reservedword\">react <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">fuel<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=C2H4(L) <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-operator\">wt<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">100<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-space\"> t,k=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">135 <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">oxid<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=O2(L) <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-operator\">wt<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">100<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-space\"> t,k=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">90 <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-secondreservedword\">fuel<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=NH3(L) <\/span><span class=\"highlighterfromfile1-operator\">wt<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-symbol\">=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">0<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-space\"> t,k=<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-number\">239\r\n<\/span><span class=\"highlighterfromfile1-reservedword\">end\r\n\r\n <\/span><\/code><\/pre>\n<p><!--EndFragment--> <!--werbungbeginn--> <!--#include virtual=\"nav\/werbung2.html\"--> <!--werbungend--><\/p>\n<p>Es ist eine Verbrennung bei 80 bar Brennkammerdruck mit einer D&uuml;se mit einem Expansionsverh&auml;ltnis von 25 (typisch f&uuml;r eine Startstufe). Das Treibstoff\/LOX Verh&auml;ltnis habe ich auf 30% &Uuml;berschuss festgelegt, das ist ein g&auml;ngiger Wert und entspricht z. B bei LOX\/LH2 von 6,15 zu 1 oder LOX\/RP-1 von 2,67 zu 1.<\/p>\n<p>Wenn man nun die Mischungsverh&auml;ltnis von Ethin\/Ammonaik anpasst, das eine von 100% auf 0 sinken l&auml;sst und das andere von 0 auf 100, so bekommt man folgende Kurven.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignleft\" alt=\"LOX\/ Acetam\" src=\"\/img\/lox-acetam.jpg\" width=\"652\" height=\"365\" \/><\/p>\n<p>F&uuml;r alle die nicht so sehr mit der Materie vertraut sind: &#8222;Frozen&#8220; und &#8222;equilibrium&#8220; sind zwei mathematische Annahmen &uuml;ber das chemische Gleichgewicht. Frozen liefert zu geringe Werte, equilibrium dagegen zu hohe. Die Wahrheit liegt also irgendwo in der Mitte, meist mehr bei Frozen. Beim RD-180 als einem dieser Treibstoffmischung verwandten Triebwerk sieht es z.B. so aus:<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>CEA&#8220; &#8222;Frozen&#8220;<\/th>\n<th>CEA2 &#8222;equilibrium&#8220;<\/th>\n<th>RD-180<\/th>\n<th>entspricht<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spez. Impuls Boden<\/td>\n<td>3165,1<\/td>\n<td>3366,2<\/td>\n<td>3050 m\/s<\/td>\n<td><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spez. Impuls Vakuum<\/td>\n<td>3301,9<\/td>\n<td>3518,2<\/td>\n<td>3315 m\/s<\/td>\n<td>94% frozen<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Bei einem Bodentriebwerk kommen noch weitere Verluste hinzu, sodass hier der Wert sogar noch unterhalb von &#8222;frozen&#8220; liegt. Man kann aber anhand des Vakuumwerts annehmen, das die realsten Werte von Acetam mehr bei &#8222;frozen liegen&#8220;.<\/p>\n<p>Nach dem Equilibriumwerten ist es klar &#8211; Ethin ist der bessere Treibstoff. Sie sinken bis 30% Ammoniak erst langsam, dann stark an. Bei Frozen ist die Situation komplizierter. Es gibt zwar auch einen Abfall bei hohem Ammoniakanteil, aber ein lokales Maximum, das bei etwa 50-60% Ammoniakanteil Allerdings: Wir reden hier &uuml;ber ein wirklich kleines Maximum. Hier liegt der spezifische Impuls bei 3315 m\/s, w&auml;hrend es bei 100% Ethin 3280 m\/s, also nur 35 m\/s weniger sind.<\/p>\n<p>Lohnt sich daf&uuml;r der Aufwand? Ethin ist bei normalem Druck nicht fl&uuml;ssig, es sublimiert sofort bei -83,8\u00b0C. Es wird technisch bei 48 Bar verfl&uuml;ssigt. Damit es fl&uuml;ssig bleibt muss ein Druck von mehr als 1,27 bar aufrechterhalten werden. Etwas unangenehmer ist aber, das fl&uuml;ssiges Acetylen zur Selbstzersetzung in Kohlenstoff und Wasserstoff neigt. Das wird nat&uuml;rlich sehr lustig, wenn das passiert wenn man damit eine Brennkammer k&uuml;hlt, denn das passiert schon ab 200\u00b0C in der Gasform. Meiner Meinung nach ist das ein absolutes k.o Kriterium f&uuml;r den Einsatz als Raketentreibstoff.<\/p>\n<p>Ammoniak ist zwischen -77,7 und -33 Grad fl&uuml;ssig und LOX zwischen -222 und -182 &#8222;C. Das bedeutet man hat drei Treibstoff mit unterschiedlichen Temperaturen und braucht eine entsprechende Isolierung.<\/p>\n<p>Was hat man f&uuml;r den Aufwand? Nun man kann die Mischung mal mit den Werten f&uuml;r die gleiche Bedingungen ermittelten f&uuml;r LOX\/RP-1 und LOX\/Methan vergleichen.<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th><\/th>\n<th>40% Ethin, 60% Ammoniak<\/th>\n<th>LOX\/RP-1<\/th>\n<th>LOX\/Methan<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spez. Impuls Boden (frozen)<\/td>\n<td>3165,7<\/td>\n<td>3044<\/td>\n<td>3182,8<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spez. Impuls Boden (frozen)<\/td>\n<td>3315,8<\/td>\n<td>3192,1<\/td>\n<td>3340,8<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spez. Impuls Boden (equilibrium)<\/td>\n<td>3324,9<\/td>\n<td>3215,7<\/td>\n<td>3316,2<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>spez. Impuls Vakuum (equilibrium)<\/td>\n<td>3516,5<\/td>\n<td>3416,7<\/td>\n<td>3509,2<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Also unter eingefrorenem Gelichgewicht ist es 120 m\/s besser als LOX\/RP-1 aber 20 m\/s schlechter als LOX\/Methan. Bei freiem Gleichgewicht schrumpft der Vorsprung bei LOX\/RP-1 auf 100 m\/s. Methan\/LOX liegt gleichauf mit 10-20 m\/s Unterschied.<\/p>\n<p>100-200 m\/s bekommt man aber alleine als Gewinn, wenn man effizientere Triebwerke einsetzt, also entweder h&ouml;herer Brennkammerdruck oder gr&ouml;&szlig;ere (erweiterbare) Expansionsd&uuml;sen. Nur als Beispiel: Das Ersetzen des RD-0110 in Block I der Sojus durch das RD-0124 steigerte den spezifischen Impuls von 3187 auf 3521 m\/s, also um mehr als 300 m\/s. Ein entsprechender Gewinn ist bei den unteren Bl&ouml;cken m&ouml;glich, wenn man dort das RD-191 oder NK-33 einsetzt. Hier mal f&uuml;r LOX\/RP-1 Impulse f&uuml;r verschiedene Brennkammerdr&uuml;cke (bei eingefrorenem Gleichgewicht und Vakuum)<\/p>\n<table style=\"width: 100%;\">\n<tbody>\n<tr>\n<th>Expansionsverh&auml;ltnis<\/th>\n<th>40<\/th>\n<th>80<\/th>\n<th>160<\/th>\n<th>240<\/th>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>80 Bar Brennkammerdruck<\/td>\n<td>3117,4<\/td>\n<td>3222<\/td>\n<td>3305,1<\/td>\n<td>3345,6<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>160 Bar<\/td>\n<td>3283,8<\/td>\n<td>3354,7<\/td>\n<td>3429,7<\/td>\n<td>3460,7<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>240 bar<\/td>\n<td>3306,5<\/td>\n<td>3388,9<\/td>\n<td>3454,7<\/td>\n<td>3486,8<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n<p>Haupteffekt ist der Brennkammerdruck, danach folgt die L&auml;nge der Expansionsd&uuml;se. In den sechziger war die Kombination 80 Bar, Entspannungsverh&auml;ltnis 40 &uuml;blich, heute erreichen Hochdrucktriebwerke 270 bar und Expansionsd&uuml;sen mit einem Verh&auml;ltnis von 240 gibt es auch. Im obigen Beispiel entspricht dies einer Steigerung des spezifischen Impuls von 350 m\/s &#8211; erheblich mehr als man durch die Umstellung auf LOX\/Methan oder LOX\/Acetam erhalten w&uuml;rde.<\/p>\n<p>Und weil ihr mir nicht glauben m&uuml;sst (obwohl ihr alles nachrechnen k&ouml;nnt). Es haben auch andere zumindest Methan verglichen mit Kerosin. F&uuml;r R&uuml;ckkehrstufen gibt es eine <a href=\"http:\/\/www.dlr.de\/Portaldata\/55\/Resources\/dokumente\/sart\/0095-0212prop.pdf\">Studie vom DLR<\/a>. Da die Tanks gr&ouml;&szlig;er sind und damit schwerer, dann noch eine Isolation dazukommt und dies bei einem wiederverwendbaren Gef&auml;hrt nat&uuml;rlich auch auf andere Budgets durchschl&auml;gt (Treibstoff f&uuml;r den R&uuml;ckflug, Fl&uuml;gelgr&ouml;&szlig;e) war dem so, das das Gef&auml;hrt schwerer wurde (35.209 t vs 31.914 t Trockengewicht) und auch das Fluggewicht gr&ouml;&szlig;er war (247.972 vs. 243.809 kg). Das muss bei nicht wiederverwendbaren Tr&auml;gern nicht so sein, doch an den gr&ouml;&szlig;eren Tanks (mehr als das doppelte Volumen von Kerosin) und der ben&ouml;tigten Isolation wird es blieben. Das wird einen Teil des Gewinns, der eh nur bei 100-150 m\/s liegt auffressen.<\/p>\n<p>Verwundert? N&ouml; ich nicht. De Fakto hat man in den letzten Jahrzehnten, vor allem den f&uuml;nfziger und sechziger Jahren alle m&ouml;glichen Treibstoffe ausprobiert. Viele nur theoretisch, viele auch in Experimentaltriebwerken. Die USA haben schon LOX\/Methan mit dem <a href=\"\/centaur.shtml\">RL-10<\/a> in den Sechzigern erprobt und nie eingesetzt. Wenn man trotzdem Kerosin durch Methan nicht ersetzt hat, dann muss es einen Grund haben. Es lohnt sich nicht.<\/p>\n<p>Man kann als Laie aber auch leicht erkennen, das an solchen Wundertreibstoffen nichts dran ist. Der Grund f&uuml;r Acetam soll sein, dass der Treibstoff billiger ist als Wasserstoff. Ah ja. Im au&szlig;errussischen Ausland, also im Rest der Welt machen die Treibstoffkosten typischerweise 1% des Raketenpreises aus. Es kann h&ouml;her sein, bei festen Treibstoff oder beim Einsatz von Hydrazinderivaten, aber die Treibstoffkosten bestimmen nicht die Wahl des Treibstoffs. Kerosin m&uuml;sste in etwa so teuer sein wie Heiz&ouml;l, Sauerstoff wird gro&szlig;technisch hergestellt und dazu braucht man nur Luft. Auch er m&uuml;sste billig sein, gr&ouml;&szlig;enordnungsm&auml;&szlig;ig in der gleichen Kategorie. Wasserstoff ist schwerer zu beziffern. Er wird durch Elektrolyse hergestellt und muss dann verfl&uuml;ssigt werden. Da es bei uns f&uuml;r Brennstoffzellen genutzt wird, nehme ich mal das Ergebnis einer Studie, wonach 40% der reingesteckten Energie in den Brennstoffzellen als elektrische Energie ausgenutzt wird. Wenn das f&uuml;r fl&uuml;ssigen Wasserstoff auch gilt, so sind es bei einem Strompreis von 27 ct\/Kwh knapp 3 Euro pro Kilogramm. Wenn es in Russland 67 Dollar, sind ist dort der Strom enorm teuer oder die Verluste (Verdampfen) enorm hoch.<\/p>\n<p>Die Benutzung alternativer Treibstoffe hat in Russland Tradition. LOX\/UDMH f&uuml;r die 11K63 wurde schon erw&auml;hnt. Die <a href=\"\/sojus.shtml\">Sojus U2<\/a> setzte zum Teil &#8222;Sintin&#8220; ein, ein Kohlenwasserstoff Gemisch mit h&ouml;herem spezifischem Impuls. Es war &uuml;brigens deutlich teurer, was jedoch damals keine Rolle spielte. Die Einstellung erfolgte, weil die Fabrik in der Zeit des wirtschaftlichen Zusammenbruchs zu machte, nicht weil der Treibstoff zu teuer war.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg09.met.vgwort.de\/na\/c889f683c02e472384a72c83980774f2\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Es ist schon erstaunlich. 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Aber zuerst einmal zu der Historie und wie ich zu meinen \u00dcberlegungen komme. Also dieser Blog wird wieder Grundlagenwissen vermitteln. 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